Cómo y por qué ocurre la falla del varistor, incluido el efecto de las sobretensiones de múltiples pulsos

Corría el año 2011 y en China se estaba realizando un experimento para registrar los efectos de la activación de un rayo en una línea aérea de transmisión. La línea fue instrumentada para registrar las corrientes inducidas y los instrumentos fueron protegidos con un varistor de óxido metálico (MOV). Un varistor a menudo se denomina MOV (varistor de óxido metálico). El relámpago registrado consistió en múltiples impactos de retorno, ninguno de los cuales superó la clasificación Imax del MOV. Pero, para sorpresa de los experimentadores, el MOV resultó dañado.

¿Cómo pudo pasar esto? Y lo que es más importante, ¿por qué Imax podría no ser una buena base para seleccionar un MOV para protección contra rayos? ¿Existen alternativas? Para ayudar a responder estas preguntas, analizaremos en este artículo qué es un MOV y cómo la forma en que se fabrica influye en su comportamiento cuando se produce una sobretensión, cómo se producen las fallas y en qué se diferencian las sobretensiones de múltiples pulsos de las sobretensiones únicas en su efecto sobre las propiedades de los MOV.

Para comprender las fallas, es útil analizar cómo se fabrican los varistores. En este sentido, cabe destacar tres cosas.

En primer lugar, los varistores son un material cerámico compuesto principalmente de óxido de zinc (ZnO). En condiciones ambientales, el ZnO cristaliza en una estructura de wurtzita hexagonal, como se muestra en la Figura 1, donde las bolas grandes representan Zn y las bolas pequeñas representan oxígeno (O). Se trata de una estructura complicada que, si cristalizara perfectamente, sería un aislante. Pero como el proceso de cristalización no es perfecto, las vacantes de oxígeno resultantes o los intersticiales de zinc hacen que esta estructura se convierta en un semiconductor de gran espacio con una resistividad relativamente baja de 1 a 100 Ω-cm a temperatura ambiente.

Figura 1: Estructura de Wurtzita. Las bolas grandes representan Zn y las bolas más pequeñas representan oxígeno.

En segundo lugar, un varistor no es un cristal uniforme de wurtzita, sino muchos que se fusionan formando granos. Para convertir ZnO en un varistor, se agrega una pequeña cantidad de Bi2O3. El Bi2O3 entra en los límites de los granos, como se muestra en la Figura 2. Además del Bi2O3, se puede agregar MnO para mejorar las propiedades no lineales; Sb2O3 para controlar el crecimiento del grano de ZnO y una pequeña cantidad de Al2O3 para aumentar la conductividad del grano de ZnO.

Figura 2: Micrografía típica de la estructura del varistor

El Bi2O3 entre dos granos de ZnO da como resultado la formación de diodos Schottky inversos. Básicamente, un varistor es una disposición en serie-paralelo de material tipo n separado por diodos Schottky inversos que tienen una caída de voltaje de aproximadamente 2 V-3 V por unión de límite de grano (independiente del tamaño de grano). Según He [1], esta estructura se puede caracterizar eléctricamente mediante la Ecuación (1).

(1)

Donde V es el voltaje aplicado y I es la corriente que pasa por el varistor. Aquí, E, A1, A2, Vth y m son constantes relacionadas con las características eléctricas del varistor, y α es el coeficiente no lineal habitual del varistor. La ecuación (1) es útil para explicar la forma de la curva del varistor VI. E es la energía de excitación del varistor, K la constante de Boltzmann, A1, A2 y m son constantes relacionadas con las características eléctricas del varistor, Vth es el voltaje umbral.

El primer término de la ecuación (1) rara vez se incluye en la descripción VI de un varistor. Es la corriente de emisión Schottky en la región de baja corriente del varistor. El segundo término es la corriente no lineal habitual en la región de alta corriente.

Las constantes de la ecuación (1) se controlan variando la composición del material del varistor y el tiempo de sinterización del proceso de fabricación. La tensión umbral Vth depende también de la composición y de las condiciones de sinterización. Estos controlan el número de límites de grano entre los dos electrodos. Dado que Vth es proporcional al número de límites de grano, más límites de grano dan como resultado un Vth más alto.

En tercer lugar, esta variación en el proceso de fabricación de varistores y las fluctuaciones estadísticas que la acompañan en las propiedades que generalmente ocurren en los materiales policristalinos hacen que los varistores resultantes tengan propiedades eléctricas no homogéneas. Eso sugiere que:

Los varistores necesitan absorber la energía depositada por sobretensiones temporales, sobretensiones de conmutación o impulsos de rayos. Los experimentos muestran que las diferencias en el tamaño de los granos y las características de los límites de los granos causan una microestructura no uniforme. La microestructura no uniforme da como resultado la variabilidad de las capacidades de manejo de corriente del varistor y la capacidad de absorción de energía relacionada. Esto, a su vez, tiene una relación directa con los modos de falla, que incluyen perforación eléctrica, agrietamiento físico y fuga térmica.

La capacidad de absorción de energía se puede dividir en capacidad de absorción de energía térmica y capacidad de absorción de energía de impulso. La capacidad de absorción de energía del impulso depende de cómo se aplica el impulso:

La capacidad de absorción de energía térmica, por otro lado, se ve afectada principalmente por la capacidad de disipación de calor del diseño general del pararrayos, además de las propiedades eléctricas de los varistores.

Figura 3: Micrografía típica de puntos calientes en los límites de grano

Consideremos primero la falla del varistor causada por el calentamiento. A corrientes más bajas, el calentamiento se localiza en cadenas de pequeños puntos calientes, que ocurren en los límites de los granos donde el potencial cae a través de barreras de tipo Schottky (ver Figura 3). La transferencia de calor en este caso es demasiado rápida para permitir diferencias de temperatura que podrían causar fallas.

Ahora considere corrientes más altas. En varistores pequeños (p. ej., <25 mm) donde el número de granos de ZnO entre los electrodos puede ser sólo de unos 40, una variación de 3 a 4 granos puede hacer que el flujo de corriente en un camino determinado sea un orden de magnitud diferente del circundante. caminos. Los caminos con voltajes de ruptura bajos transportan la mayor parte de la corriente y se calientan, con las consecuencias señaladas en el estudio de Sargent et al [4]. En ese estudio, el análisis de las muestras MOV fallidas mostró grietas y formación de nuevo material amorfo cerca del canal de conducción. El examen de este material amorfo sugirió que los puntos calientes locales (en realidad canales calientes) se formaban cuando la energía resultante de un pulso de corriente aplicado al MOV se absorbía más rápido de lo que podía disiparse. El material amorfo en estos puntos calientes probablemente resultó de un plasma formado durante el pulso actual. Los puntos calientes se enfriaron rápidamente debido a la conducción de calor a los granos de ZnO circundantes.

En diferentes condiciones actuales, los modos de falla incluyen perforación eléctrica (ver Figura 4), agrietamiento físico (ver Figura 5) y fuga térmica. El agrietamiento ocurre porque los varistores son básicamente un material cerámico, y golpearlos con un pico brusco de alta amplitud es como golpear un plato con un martillo.

Figura 4: Micrografía típica de una punción

Figura 5: Formación típica de grietas

La destrucción por perforación ocurre en varistores pequeños cuando la corriente es relativamente baja y de larga duración (por ejemplo, consulte la Figura 6). El efecto neto es que el varistor se calienta. El análisis de una perforación en estos varistores indica claramente que se forma un filamento con temperaturas lo suficientemente altas como para fundir el Bi2O3 (817o C). Cuando esto sucede, los diodos Schottky consecutivos se destruyen, lo que reduce la resistencia del filamento [1]. La resistencia reducida del filamento permite una mayor densidad de corriente, lo que a veces provoca una temperatura lo suficientemente alta como para fundir el ZnO (2000o C).

Figura 6: Ejemplo de combinaciones de densidad de corriente y duración de pulso que causan fallas en los varistores. Este gráfico es para un varistor específico. Para cualquier otro varistor, las escalas podrían ser diferentes a las mostradas.

Si la corriente continúa el tiempo suficiente, la energía depositada en el varistor puede elevar su temperatura hasta el punto de fuga térmica debido al coeficiente de resistividad de temperatura negativo del material [1].

La mayoría de las corrientes de impulso altas con duración corta pueden provocar una falla por agrietamiento (consulte la Figura 5), que generalmente ocurre en el borde del varistor, ya que la temperatura aumenta más en el borde del chip (el área blanca en la Figura 7). La razón es que el crecimiento de los granos durante la sinterización es a menudo más rápido en la parte exterior del bloque que en el centro del bloque, lo que resulta en menos granos y más grandes entre los electrodos y, por lo tanto, un voltaje de ruptura más bajo.

Figura 7: Escaneo térmico típico de un varistor pulsado bajo corriente alta

La Figura 6 ilustra las condiciones bajo las cuales pueden ocurrir grietas y perforaciones. Para un varistor determinado, la línea continua roja muestra los casos en los que se pueden producir grietas y la línea discontinua negra los casos en los que se pueden producir perforaciones.

¿Por qué hablamos de rayos multipulsos? Bueno, las observaciones de relámpagos y los datos de relámpagos provocados artificialmente resumidos en [6] muestran que casi el 70% de los rayos que caen de nube a tierra involucran entre dos y hasta 26 impactos. Estos golpes tienen un intervalo entre golpes medio geométrico de aproximadamente 60 ms. También pueden tener una corriente continua y prolongada con un intervalo entre ciclos de hasta varios cientos de milisegundos. En la Figura 8 se ilustra una secuencia típica de múltiples pulsos.

Figura 8: Ejemplo de un relámpago multipulso

Los rayos de múltiples impulsos del tipo que acabamos de describir son importantes porque son capaces de producir aumentos de temperatura que conducen al tipo de fallas que acabamos de comentar, mientras que una sola sobretensión podría no hacerlo. Por ejemplo, en el estudio de Sargent et al [4], la mitad de un conjunto de muestras MOV de 18 mm se sometieron a una ráfaga multipulso de 8/20 sobretensiones a corriente nominal. Estas muestras mostraron signos de daño, mientras que la otra mitad de las muestras analizadas con un solo aumento de 8/20 a la corriente nominal repetida a intervalos de 60 segundos o más no mostraron daños. En otra prueba de ráfaga multipulso, Rousseau et al [7] sometieron un MOV a 60 sobretensiones de 20 kA 8/20 espaciadas con 60 segundos de diferencia, sin fallar. Pero cuando el mismo tipo de MOV fue sometido a tan solo cinco sobretensiones de 20 kA 8/20 espaciadas 50 ms, se produjo una falla. En estos casos, la falla del varistor probablemente fue causada por la acumulación de calor debido a la constante de tiempo térmica relativamente larga de los varistores (Figura 9), ilustrada para una sola sobretensión usando modelado térmico como se muestra en la Figura 10 (para más detalles, ver [8]).

Figura 9: Constante de tiempo térmica de un varistor

Figura 10: Ejemplo de aumento de temperatura en un MOV de 25 mm sometido a una sobretensión de 10/63 6 kA

Como se señaló anteriormente, en el estudio de Sargent et al, el análisis de las muestras fallidas de MOV de 18 mm sometidas a una prueba de explosión de pulsos múltiples mostró la formación cerca del canal de conducción de un nuevo material amorfo, que se pensaba que requería una temperatura local de alrededor de 1000o C. Los modelos térmicos sugirieron que este aumento de temperatura se produciría si la potencia del pulso se concentrara en aproximadamente el 2% del volumen MOV. Esta es una observación importante porque un cálculo de la energía absorbida en la prueba de ráfaga multipulso mostró que el aumento de temperatura del MOV sólo habría sido de 231o C si la distribución de temperatura fuera uniforme, mucho menos que la temperatura que se cree que causó el daño.

Los resultados de Sargent et al sugieren que el criterio para la falla de un MOV es un aumento de temperatura localizado a 1000o C (o cerca del mismo). Entonces, para un MOV en consideración, necesitamos determinar si un área localizada podría alcanzar los 1000 °C. La Figura 11 muestra el aumento de temperatura adicional que ocurre cuando el aumento utilizado para crear la Figura 10 se aplica al mismo MOV por segunda vez después de 30 ms. El aumento adicional de temperatura se debe a la constante de tiempo térmica relativamente larga del MOV, que impide que el MOV disipe mucha energía térmica (y por lo tanto se enfríe) antes de que llegue el segundo aumento. El aumento de temperatura se sitúa ahora en la zona roja por encima de los 1.000°C, donde se espera un fracaso. Este es un ejemplo de cómo un varistor puede ser destruido por sobretensiones multipulsos.

Figura 11: Ejemplo de aumento de temperatura para un MOV de 25 mm sometido a dos sobretensiones de 10/63 6 kA

En otra mirada a los efectos de los rayos multipulsos, un estudio realizado por Zhang et al [5] exploró la progresión de falla en varistores bajo múltiples rayos, utilizando una serie de grupos de cinco pulsos de sobretensiones de 8/20 con intervalos de pulso de 50 ms y amplitudes de pulso establecidas en la corriente de descarga nominal de 20 kA. El tiempo entre la aplicación de un grupo de corrientes de impulso a un varistor y la del siguiente grupo de corrientes de impulso fue de 30 minutos, permitiendo volver a las condiciones originales.

Se consideró que los varistores habían fallado cuando se produjo un cambio mayor que ±10% del voltaje original del varistor U1mA; la corriente de fuga Iie superó los 20 µA; o se produjo daño directo (generalmente por agrietamiento de los bordes). El cambio de nivel promedio de U1mA e Iie para la serie de grupos de impulso se muestra en la Figura 12.

Figura 12: Tensión del varistor U1mA y corriente de fuga Iie, variación de los varistores bajo múltiples corrientes de impulso tipo rayo (fuente: Zhang et al [5])

La Figura 12 muestra que, en ausencia de corriente continua, una única ráfaga de múltiples impulsos no entregó suficiente energía al MOV para provocar una falla. La aplicación repetida de la ráfaga multipulso finalmente condujo al fracaso.

Por lo tanto, es posible que una única ráfaga de múltiples impulsos no destructiva condicione el MOV para fallas en futuras ráfagas de múltiples impulsos, como lo sugiere la corriente de fuga en continuo aumento. Este condicionamiento podría verse como una especie de proceso de desgaste acelerado.

El examen microestructural de los varistores defectuosos indicó que después de los múltiples rayos, el tamaño del grano disminuyó y la proporción de Bi en la capa límite del grano aumentó significativamente. Estos efectos fueron el resultado acumulativo de múltiples corrientes de rayos y fueron causados por daño térmico y daño a la estructura del límite de grano debido al estrés térmico del gradiente de temperatura. Este daño finalmente provocó la falla del MOV. Tenga en cuenta que una sola prueba de sobretensión pasaría por alto este mecanismo de desgaste.

Parece que el aumento repetido de un MOV altera su microestructura, y comprender cómo sucede eso es importante para comprender cómo fallan los MOV. Lo que plantea algunas preguntas. En particular, ¿la degradación de la microestructura es acumulativa como lo sugiere el gráfico actual en la figura anterior? ¿O los efectos de la degradación se oscurecen hasta que alcanza un punto crítico como lo sugiere el gráfico de voltaje en la figura anterior? Es probable que la respuesta dependa de la magnitud y el espaciamiento de las oleadas, y puede haber un umbral de magnitud y espaciamiento de las oleadas por debajo del cual no se produce una degradación significativa. Se necesita más investigación para responder las preguntas.

Las pruebas de pulso único de alta amplitud y corta duración (p. ej., 6 kV, 3 kA 8/20) se utilizan típicamente para evaluar la falla del varistor. Este tipo de prueba puede causar un modo de falla diferente al de un varistor sometido a un rayo multipulso de menor amplitud (p. ej., agrietamiento versus desgaste). Las pruebas de un solo pulso también podrían pasar por alto fallas por acumulación de calor que pueden causar los rayos de múltiples pulsos, especialmente los rayos de múltiples pulsos que incluyen corriente continua.

Volviendo al fallo descrito al principio, durante un experimento con rayos se registró un relámpago activado con múltiples impactos de retorno. Este destello dañó el SPD a pesar de que la clasificación Imax del SPD (determinada mediante una única prueba de sobretensión) era mucho más alta que la corriente máxima de iluminación registrada [9]. ¿Por qué?

Como se señaló en [10], lo que causó la falla fue la parte de corriente continua de la secuencia de múltiples pulsos, y la corriente continua no está incluida en la clasificación Imax. La corriente continua depositó suficiente energía en el MOV para fallarlo.

Dado que generalmente vivimos en un entorno de relámpagos de múltiples pulsos, el gráfico de reducción de potencia típico (creado con sobretensiones únicas) como se muestra en la Figura 13 debería modificarse si se va a utilizar para un MOV que se ha instalado para proteger contra rayos de múltiples pulsos. En particular, probablemente sería necesario reducir las líneas de la Figura 13 resultantes de la aplicación (repetida) de aumentos repentinos únicos para tener en cuenta el efecto de degradación microestructural sugerido por los estudios de Zhang et al [5].

Se podría crear un gráfico de reducción de potencia de múltiples pulsos repitiendo la prueba de grupo de múltiples pulsos de Zhang de la misma manera que se usó para crear la figura de reducción de potencia de la Figura 13, pero ahora usando grupos de múltiples pulsos en lugar de sobretensiones individuales. Así, por ejemplo, para la línea de un solo impacto, se aplicaría un grupo de sobretensiones con una forma de onda relativamente estrecha a una corriente que provocaría una falla en la segunda aplicación. Luego, el proceso se repetiría utilizando grupos de oleadas con formas de onda más amplias. El resultado sería algo parecido a la línea superior de la Figura 13.

Figura 13: Curvas de reducción típicas para un MOV

De manera similar, la amplitud de la corriente disminuiría de tal manera que para la línea de dos impactos, un segundo grupo de sobretensiones provocaría una falla en la tercera aplicación, y el proceso se repetiría usando grupos de sobretensiones con formas de onda más amplias. Este proceso continuaría hasta que se hubieran generado suficientes líneas para caracterizar adecuadamente el producto.

Para obtener más información sobre varistores, consulte el estándar IEEE PC62.33 ™ para métodos de prueba y valores de rendimiento para componentes de protección contra sobretensiones de varistores de óxido metálico [11].

El proceso de fabricación de varistores y las fluctuaciones estadísticas en las propiedades que generalmente ocurren en los materiales policristalinos hacen que los varistores tengan propiedades eléctricas no homogéneas. El resultado es que unos pocos caminos conductores con voltajes de ruptura bajos transportan la mayor parte de la corriente y se calientan más. Si la temperatura de estos caminos alcanza los 1000°C, se produce fusión y el MOV se destruye. En el caso de los MOV de 18 mm, este aumento de temperatura se produciría si las faltas de homogeneidad en los MOV provocan que la potencia del pulso se concentre en aproximadamente el 2% del volumen del MOV (el 2% puede diferir en otros tamaños de MOV). Este aumento de temperatura podría ser la causa del fallo de la punción, que se observa en el caso de sobretensiones de menor amplitud y larga duración.

En el caso de sobretensiones de alta amplitud y corta duración, la falla de MOV puede ocurrir por agrietamiento antes de que se produzca la fusión. Es posible que se produzcan sobretensiones únicas de corta duración y alta amplitud en las líneas eléctricas, por lo que las clasificaciones MOV establecidas de esta manera pueden ser apropiadas para aplicaciones de líneas eléctricas.

Para la protección contra rayos, las clasificaciones establecidas mediante pruebas de pulsos múltiples pueden ser más importantes. Esto se debe a que una sobretensión de rayo multipulso suele ser el factor que impulsa el aumento de temperatura, ya que hace que se acumule energía en el MOV debido a su larga constante de tiempo térmica. Esta es la razón por la que las pruebas de pulsos múltiples son importantes, ya que una sola prueba de sobretensión podría pasar por alto fallas que pueden causar los rayos de pulsos múltiples, en particular el desgaste y, especialmente, los rayos de pulsos múltiples que incluyen corriente continua. Y la mayoría de los rayos son del tipo multipulso. Es posible que sea necesario considerar el efecto de degradación de la microestructura de las sobretensiones repetidas de múltiples pulsos al construir curvas de reducción de potencia.

Comprender el mecanismo por el cual el aumento de un MOV altera su microestructura es importante para comprender cómo fallan los MOV. Es un tema que necesita más investigación.

al martinvaristores

Al Martin fue colaborador frecuente de la revista In Compliance y autor o coautor de más de 35 artículos sobre EMC y telecomunicaciones. Falleció en agosto de 2021.

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